劉海武
【摘要】本文論述教師在小學(xué)科學(xué)課堂上通過五個(gè)課堂活動(dòng)指導(dǎo)學(xué)生基于Scratch傳感器搭建智能照明系統(tǒng)的方法,認(rèn)為教師可通過指導(dǎo)學(xué)生反復(fù)實(shí)踐、修改和呈現(xiàn)不同的作品狀態(tài),讓學(xué)生慢慢悟出其中的道理和原理。
【關(guān)鍵詞】Scratch傳感器 小學(xué)科學(xué) 智能照明系統(tǒng)
【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【文章編號(hào)】0450-9889(2019)02A-0131-02
“智能照明”項(xiàng)目教學(xué)研究是基于Scratch外接工程實(shí)踐類的教學(xué)嘗試,智能照明系統(tǒng)可分為智能光控?zé)簟⒅悄苈暱責(zé)粢约爸悄苈暪饪責(zé)羧?。本?xiàng)目實(shí)施一般為3~5課時(shí),主要讓學(xué)生通過觀察生活、總結(jié)規(guī)律和原理,自主探究基于Scratch外接的智能照明系統(tǒng)。
一、學(xué)情分析
六年級(jí)學(xué)生思維敏捷,動(dòng)手和模仿能力強(qiáng),且對外界現(xiàn)象具有一定的分析能力,他們在五年級(jí)下學(xué)期已經(jīng)有了Scratch 1.4的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ),并在六年級(jí)前幾節(jié)課中了解了Arudino及Scratch外接的基本使用方法及硬件的基本搭建。蘇州工業(yè)園區(qū)第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)的學(xué)生全部在城市長大,他們從小就使用智能設(shè)施設(shè)備,具備一定的智能理念。考慮到課堂教學(xué)中電路的安全,本項(xiàng)目主要采用LED燈模塊作為燈光控制設(shè)備。
二、教學(xué)目標(biāo)
(一)知識(shí)與技能目標(biāo):了解傳感器的工作原理;了解LED燈的工作原理;了解基于傳感器的智能控制原理;掌握光、聲以及聲光控制的智能燈的程序組裝和設(shè)計(jì)。
(二)過程與方法目標(biāo):學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)智能燈控制系統(tǒng)的基本方法;能解決實(shí)際生活中智能燈光設(shè)備的建模、實(shí)施等問題。
(三)情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo):了解科學(xué),實(shí)際體驗(yàn)智能創(chuàng)造以及智能創(chuàng)造對人類的價(jià)值;培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)利用自己所學(xué)知識(shí)與技能去改造世界的能力和精神;在項(xiàng)目實(shí)施中培養(yǎng)學(xué)生攻堅(jiān)克難、持之以恒的良好品格。
三、教學(xué)過程
(一)引入
教師提問“什么是智能”并展示生活中的智能設(shè)施設(shè)備,如智能燒水壺、智能空調(diào)、智能插座、智能燈等。學(xué)生討論“智能設(shè)備有哪些共同的特點(diǎn)”,教師將學(xué)生的討論結(jié)果羅列出來并提煉出智能設(shè)備的要素(如圖1)。
傳感器板在連接Scratch軟件后,就是一個(gè)很好的控制中心,能把傳感過來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為程序識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并根據(jù)條件判斷是否開關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別。
教師向?qū)W生介紹小區(qū)樓道或廁所智能燈的工作原理,通過對比確立基于Scratch傳感器板外接的智能照明系統(tǒng)的研究目標(biāo),在確立研究目標(biāo)的同時(shí),提出實(shí)現(xiàn)智能照明所需研究的內(nèi)容以及實(shí)現(xiàn)智能控制的技術(shù)與設(shè)計(jì)方法。
(二)活動(dòng)一:認(rèn)識(shí)LED燈
學(xué)生根據(jù)教師提供的LED燈線路連接圖,找出線路連接中哪個(gè)控制信號(hào)輸出、哪個(gè)控制外部電源開關(guān),明確傳感器板是如何控制LED燈的亮度的。
設(shè)計(jì)意圖:通過觀察線路和教師講解,學(xué)生掌握LED燈的工作原理,在此基礎(chǔ)上了解發(fā)光二極管中不同信號(hào)和電壓的作用。
(三)活動(dòng)二:認(rèn)識(shí)傳感器
1.學(xué)生根據(jù)創(chuàng)客板連接經(jīng)驗(yàn),測試光度和聲音傳感器,找到讀取聲和光數(shù)據(jù)的正確方法,并通過調(diào)整光亮度和聲強(qiáng)度來獲取取值范圍。
教師總結(jié):“老師給大家介紹了集成在創(chuàng)客板上聲音和光線的模擬傳感器,與之對應(yīng)的是連接Scratch傳感器板后獲取的數(shù)值。聲音的數(shù)值大概在0~20之間,光線的數(shù)值大概在0~50之間?!?/p>
2.學(xué)生討論:多大的聲音強(qiáng)度或光線強(qiáng)度能讓燈亮起來?找到燈亮的臨界條件:讓傳感器獲取模擬信號(hào),從而通過Scratch傳感器板獲取臨界數(shù)值。
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、觀察分析、討論總結(jié)這三個(gè)環(huán)節(jié),一方面在實(shí)際操作中了解了什么是傳感器以及傳感器的工作原理、取值范圍,知道了模擬信號(hào)與數(shù)值信號(hào)對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系,為后續(xù)編程數(shù)據(jù)鋪墊,另一方面通過觀察聲、光傳感器以及思考、實(shí)踐,促進(jìn)學(xué)生對其他傳感器使用的理解和掌握,為后續(xù)其他綜合項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。
(四)活動(dòng)三:學(xué)習(xí)智能燈控原理
1.利用聲傳感器和創(chuàng)客板的電機(jī)輸出來控制LED燈的亮與滅
根據(jù)聲音傳感器獲取的數(shù)值進(jìn)行判斷,反復(fù)偵測實(shí)現(xiàn)的效果。設(shè)置當(dāng)聲音強(qiáng)度高于某個(gè)值時(shí)打開電機(jī),此時(shí)燈亮10秒,10秒后關(guān)閉電機(jī),LED燈滅,反復(fù)執(zhí)行。
2.利用光傳感器和創(chuàng)客板的電機(jī)輸出來控制LED燈的亮與滅
根據(jù)光傳感器獲取的數(shù)值進(jìn)行判斷,反復(fù)偵測實(shí)現(xiàn)效果。設(shè)置當(dāng)光亮度高于某個(gè)值時(shí)打開電機(jī),此時(shí)燈亮10秒,10秒后關(guān)閉電機(jī),LED燈滅,反復(fù)執(zhí)行。
3.利用聲光傳感器和創(chuàng)客板的電機(jī)輸出來控制LED燈的亮與滅
根據(jù)聲光傳感器獲取的數(shù)值進(jìn)行判斷,反復(fù)偵測實(shí)現(xiàn)效果。設(shè)置當(dāng)光亮度高于某個(gè)值且聲強(qiáng)度高于某個(gè)值時(shí),打開電機(jī),此時(shí)燈亮10秒,10秒后關(guān)閉電機(jī),LED燈滅,反復(fù)執(zhí)行。
設(shè)計(jì)意圖:通過聲、光強(qiáng)弱所產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)與Scratch程序模塊結(jié)合起來控制LED燈的亮和滅,在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的編程思維能力和水平,提升學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來追求真理的意識(shí)和能力。
(五)活動(dòng)四:設(shè)計(jì)及搭建智能燈控系統(tǒng)
1.集體設(shè)計(jì)總體智能燈流程圖方案,總結(jié)如下圖所示。
2.學(xué)生每3人一組,將任務(wù)分為3個(gè)部分——傳感偵測、程序控制、效果評(píng)估。學(xué)生以小組為單位開展獨(dú)立項(xiàng)目研究與實(shí)施。負(fù)責(zé)傳感偵測的人主要負(fù)責(zé)條件判斷的臨界值測試,負(fù)責(zé)程序控制的人主要負(fù)責(zé)程序的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,負(fù)責(zé)效果評(píng)估的人參與整個(gè)實(shí)施并負(fù)責(zé)最后的匯報(bào)。項(xiàng)目實(shí)施原則是能夠?qū)崿F(xiàn)功能、節(jié)約經(jīng)濟(jì)、程序最優(yōu)。
學(xué)生在實(shí)現(xiàn)程序過程中會(huì)出現(xiàn)一些問題。例如,既要考慮節(jié)能,又要考慮燈的使用壽命,該如何有效設(shè)置聲強(qiáng)度和光亮度的臨界值;聲光傳感器在測試數(shù)值時(shí),由于數(shù)值的上下浮動(dòng)不便于提取臨界值;由于個(gè)人生活經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣不同,臨界值的大小和需要燈亮的時(shí)間也不一樣;在實(shí)踐聲光控?zé)魰r(shí),既要考慮光線,又要考慮聲音強(qiáng)度……這些對學(xué)生來說都是不小的挑戰(zhàn)。
教師給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo),如提取聲、光強(qiáng)度的臨界值,考慮到數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),負(fù)責(zé)傳感偵測的學(xué)生可準(zhǔn)備一個(gè)密封的立方體盒子,把聲光傳感器放入盒子中再進(jìn)行數(shù)據(jù)提取;考慮到老人和小孩的聲音較小,所以聲音的臨界值略小點(diǎn)為好,設(shè)計(jì)聲光控制燈程序時(shí)用選擇語句。
設(shè)計(jì)意圖:通過前期Scratch傳感器板程序的運(yùn)用與實(shí)踐,學(xué)生了解了系統(tǒng)原理,基本能設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的雛形,但在實(shí)踐過程中,問題往往不可預(yù)料,因此教師對學(xué)生進(jìn)行智慧分組,鼓勵(lì)小組之間相互借鑒,在學(xué)生遇到困難時(shí),尤其是在程序優(yōu)化的策略上多給學(xué)生指導(dǎo)和幫助,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、合作能力以及迎難而上的精神。
(六)活動(dòng)五:匯報(bào)及反思
通過近3節(jié)課的自發(fā)性研究,學(xué)生基本上完成了聲控?zé)?、光控?zé)艉吐暪饪責(zé)舻某绦蛟O(shè)計(jì),小組成員基本都了解了聲、光控?zé)舻目刂圃?。各組匯報(bào)實(shí)現(xiàn)智能燈控系統(tǒng)時(shí)的工作內(nèi)容、方法、成果以及創(chuàng)新之處,并對不足進(jìn)行反思交流。
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生呈現(xiàn)作品后進(jìn)行反思交流,是對作品創(chuàng)造思路及過程的重新梳理,再一次剖析對學(xué)生而言比較復(fù)雜的系統(tǒng)。通過交流也能讓組與組之間共享一些解決問題的方法和技巧,相互學(xué)習(xí),共同進(jìn)步。
四、教學(xué)反思
把生活中非常普通、我們天天在用的智能設(shè)備作為本項(xiàng)目課堂研究的對象,有效促進(jìn)了學(xué)生的自主探究興趣和欲望。對小學(xué)生而言,他們排斥的是理論和講解,需要的是操作、實(shí)踐以及作品的呈現(xiàn)。因此,在教學(xué)過程中,只有通過讓學(xué)生反復(fù)實(shí)踐、修改和呈現(xiàn)不同的作品,才能讓學(xué)生慢慢悟出其中的道理和原理。學(xué)生先了解LED燈的工作原理,再從生活中的燈展開研究,先了解光控?zé)?,再了解聲控?zé)簦诖嘶A(chǔ)上研究聲光控的制作,層層推進(jìn),掌握了知識(shí)與技能,通過實(shí)踐操作、不斷嘗試,在解決問題中不斷發(fā)現(xiàn)問題,在分析問題中不斷解決問題,在解決問題中不斷發(fā)現(xiàn)新的問題,如此循環(huán),提高了研究興趣以及追求真理的恒心和決心,從而提高了信息素養(yǎng)。
(責(zé)編 劉小瑗)